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Alrededor de un monstruoso agujero negro, los agujeros negros más pequeños chocan de formas extrañas

Representación de un artista de agujeros negros estelares en el disco de un agujero negro supermasivo. Crédito de la imagen: J. Samsing/Instituto Niels Bohr

Tome tres agujeros negros y tírelos al disco que rodea un agujero negro supermasivo y las cosas se ponen realmente extrañas, muy rápido.

Esa es la conclusión de una nueva investigación que investiga un evento de onda gravitacional particularmente extraño que los científicos observaron en mayo de 2019 y aún están tratando de comprender.Ondas gravitacionales son las ondas en el espacio-tiempo causadas por, entre otros eventos dramáticos, las fusiones de agujeros negros. Pero esta observación en particular no coincide con otras colisiones que los científicos han captado: dio como resultado un agujero negro en el rango de tamaño medio que los científicos apenas pueden ver, mucho menos explicar, y alguna fuerza estaba estirando la típica danza circular cuando los gigantes se acercaron.

"El evento de onda gravitacional GW190521 es el descubrimiento más sorprendente hasta la fecha. Las masas y giros de los agujeros negros ya eran sorprendentes, pero aún más sorprendente fue que parecían no tener una órbita circular antes de la fusión", Imre Bartos, físico de la Universidad de Florida y coautor de la nueva investigación, dijo en a declaración. Los astrónomos nombran las señales de ondas gravitacionales con la fecha en que se observaron, por lo que GW190521 marca una onda gravitatoria detectada el 21 de mayo de 2019.

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En los primeros análisis de la extraña señal, los científicos ya sospechaban que la fusión se produjo en una zona del espacio rica en agujeros negros. Los astrónomos conocen dos tipos de agujeros negros. Uno, denominado agujeros negros estelares, se forman a partir de estrellas moribundas ycontienen quizás una docena de veces la masa de nuestro Sol. Los agujeros negros supermasivos, por el contrario, se esconden en el centro de algunas galaxias incluida nuestra Vía Láctea y pueden contener millones de veces la masa de sus insignificantes contrapartes.

El resultado de la fusión de mayo de 2019 parecía ser un agujero negro intermedio, una categoría de tamaño que oscila entre quizás 100 y 1000 veces la masa de nuestro sol. Los científicos nunca habían logrado estudiar y no podían explicar cómo un objeto así podríaformulario. En respuesta a la detección, los astrónomos sugirieron que uno de los agujeros negros en colisión fue en sí mismo el resultado de una colisión, empujando el producto final al misterioso rango intermedio con 142 veces la masa del sol.

Para obtener dos colisiones secuenciales, los astrónomos analizaron primero GW190521 y propusieron que el evento ocurrió cerca de lo que los científicos llaman un núcleo galáctico activo, un agujero negro supermasivo particularmente dinámico anclado agalaxia, donde podrían proliferar agujeros negros más pequeños.

La nueva investigación respalda esa sugerencia, abordando la situación desde un ángulo diferente.

Representación de un artista de dos agujeros negros estelares en un disco que rodea un agujero negro supermasivo.Crédito de la imagen: Caltech/R. Hurt IPAC

Estos científicos querían entender cómo era que los dos agujeros negros en realidad no estaban dando vueltas entre sí cuando chocaron, sino sus las órbitas eran excéntricas o elíptica, más óvalos que círculos. Eso también era extraño: los astrónomos pensaron que las fuerzas gravitatorias masivas involucradas cuando dos agujeros negros chocan deberían haber forzado a estos dos en trayectorias circulares.

Entonces, los físicos detrás de la nueva investigación se dedicaron a modelar colisiones de agujeros negros. Y aunque sus cálculos sugirieron que era poco probable que tres agujeros negros al azar resultaran en una colisión excéntrica, algo cambió cuando consideraron el entorno de un núcleo galáctico activo.

Este tipo de característica también alberga un disco de materia que rodea el agujero negro supermasivo, como un modelo mucho más masivo del sistema solar. Donde el sistema solar tiene planetas, un núcleo galáctico activo tiene agujeros negros estelares dispersos por todo el disco en lo que la nueva investigación identifica esencialmente como un sistema bidimensional.

Bajo esas condiciones, la probabilidad de una fusión excéntrica en los modelos se disparó, hasta 100 veces, dijo en el comunicado el coautor Johan Samsing, astrofísico del Instituto Niels Bohr en Dinamarca. A ese ritmo, quizásla mitad de las fusiones en los discos de núcleos galácticos activos serían excéntricas en lugar de circulares, lo que hace que la observación excepcional de mayo de 2019 sea mucho menos sorprendente.

"En estos entornos, la velocidad y la densidad típicas de los agujeros negros son tan altas que los agujeros negros más pequeños rebotan como en un juego gigante de billar y no pueden existir binarias circulares anchas", coautor Bence Kocsis, astrofísico de la Universidadde Oxford en el Reino Unido dijo en el comunicado.

Los investigadores notaron que la probabilidad de fusiones excéntricas en su modelo varía con las características del disco que rodea el agujero negro supermasivo. El siguiente paso, dijeron, es detectar cada vez más colisiones de agujeros negros para analizar.

La investigación se describe en un papelpublicado el miércoles 9 de marzo en la revista Nature.

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Meghan Bartels